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Navigation und Sensordatenfusion

Stimulation von GNSS-Empfängern auf dem Rollenprüfstand

Automatisierte Fahrfunktionen und Navigation benötigen exakte Positionsdaten. Das entwickelte System mit dem sich ein künstliches GNSS-Signal erzeugen und in die Prüfstandsoftware integrieren lässt ist auf dem Prüfstand
© PopTika | Shutterstock

Zur Navigation und für automatisierte Fahrfunktionen sind exakte Daten zur Position nötig. Horiba entwickelt ein System, mit dem sich ein künstliches GNSS-Signal erzeugen und in die Prüfstandsoftware integrieren lässt – zum Testen von selbständiger Navigation und Sensordatenfusion auf dem Prüfstand.

In nahezu jedem modernen Fahrzeug ist heutzutage ein GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System) verbaut. In Kombination mit digitalen Karten bildet GNSS das zentrale Element für die Positionsbestimmung und das bordinterne Navigationssystem. Seit einigen Jahren kommt in Nutzfahrzeugen zudem die satellitengestützte Geschwindigkeitsregelanlage zum Einsatz. Hierbei werden exakte Positionsdaten mit den hinterlegten High-Definition- (HD)-Straßenkarten verknüpft, um anhand der Topografie des Straßenverlaufs Schaltzeitpunkte und Geschwindigkeit festzulegen (Bild 1). So passt der Lkw selbstständig vor einer Kurve, einer Bergkuppe oder einer Zone mit Tempolimit vorausschauend die Geschwindigkeit und den Gang an, selbst wenn der Fahrer diese Streckenereignisse noch gar nicht erkennt. Solche Systeme tragen zu mehr Sicherheit und größerer Kraftstoffeffizienz bei.

Beispiel für eine HD-Straßensimulation
Bild 1. Beispiel für eine HD-Straßensimulation.
© 3D Mapping Solutions

Weitere Anwendungsmöglichkeiten stellen die Positionsübertragung bei eCall-Systemen oder die Unterstützung bei künftigen automatisierten Parkfunktionen dar. Vor allem im Zuge der Einführung teil- und hochautomatisier- ter Fahrfunktionen wird sich der Einsatzbereich für den GNSS-Empfänger noch erweitern. Neben der selbstständigen Navigation über größere Strecken werden die GNSS-Daten auch für die Ermittlung der lokalen Position relativ zu anderen Verkehrsteilnehmern und Hindernissen genutzt, was zunehmend höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit sich bringt.

Global Navigation Satellite System

Obwohl das amerikanische Global Positioning System (GPS) nur eines von mehreren Satellitensystemen darstellt, hat sich die Abkürzung GPS etabliert und wird häufig synonym für alle GNSS-Systeme verwendet.

Satelliten senden ihre Position und eine exakte Uhrzeit als Radiosignale zur Erde. Der GNSS-Empfänger, etwa im Fahrzeug, berechnet aus der Signallaufzeit vom Satelliten zum Empfänger seine Position auf der Erde und bei bewegten Objekten die eigene Geschwindigkeit. Für eine genaue Standortbestimmung sind die Signale von mindestens vier Satelliten nötig. Je mehr Signale empfangen werden, desto größer die Genauigkeit.

GNSS-Systeme im Fahrzeug sind in der Regel keine reinen Satellitennavigationssysteme. Vielmehr handelt es sich um ein Assisted GPS, bei dem unter anderem zur Lokalisierung auch Funkzellen oder stationäre GNSS-Referenzempfänger herangezogen werden. Auch die Genauigkeit der Positionsbestimmung wird durch bodengebundene Referenzstationen deutlich erhöht. Während das GNSS-Signal eine Genauigkeit im unteren einstelligen Meterbereich bietet, sind mit dem sogenannten Differential GPS Positionsbestimmungen im einstelligen Zentimeterbereich möglich. Dabei wird die Genauigkeit der Position maßgeblich vom Empfänger, den gesendeten Korrekturdaten und dem Abstand zur Referenzstation beeinflusst. Perspektivisch wird im Zuge der Entwicklung für teil- und hochautomatisiertes Fahren eine zentimetergenaue Positionsbestimmung im Fahrzeug möglich sein.

Jeder Satellit sendet neben der eigenen präzisen Position eine Liste mit Bahndaten aller Satelliten des entsprechenden Systems, etwa dem amerikanischen GPS. Diese sogenannten Almanach-Daten dienen dazu, nach dem Einschalten des Empfängers möglichst schnell eine genaue Position bestimmen zu können. Die Dauer bis zur ersten Positionsbestimmung hängt unter anderem davon ab, wie lange das Gerät zuvor keinen Empfang hatte und dementsprechend keine Daten aktualisieren konnte. Während die Aktualisierung von Almanach-Daten über eine Satellitenverbindung mehrere Minuten dauern kann, gelingt das über Mobilfunk (GSM) und die Referenzstationen wesentlich schneller.

Erzeugung eines künstlichen GNSS-Signals

Damit künftig die für mobilitätsunterstützende Fahrfunktionen nötigen GNSS-Empfänger auf dem Rollenprüfstand getestet werden können, muss die Prüfstandautomatisierung neben fahrdynamischen Größen und Stimuli für die Umfeldsensorik auch ein passendes GNSS-Signal bereitstellen. Dem zu testenden Fahrzeug wird eine passend zum Testszenario definierte Position sowie die aktuell simulierte Geschwindigkeit über die GNSS-Empfangseinheit zur Verfügung gestellt. Eine Datenübertragung und -einspielung in nahezu Echtzeit sorgt dafür, dass alle Sensoren quasi zeitgleich identische Daten erhalten und keine Abweichung entsteht.

Um nun auf dem Rollenprüfstand jeden beliebigen Standort simulieren zu können, etwa die mittlere Fahrspur eines fünfspurigen Highways in Los Angeles, generiert Horiba GNSS-Signale mittels Software Defined Radio (SDR). Mit einem SDR-System lassen sich unterschiedlichste Hochfrequenzsignale sehr flexibel erzeugen. Der Frequenzbereich lässt sich mit ein und derselben Hardware über mehrere Größenordnungen frei variieren und je nach Anwendung können verschiedenste Modulationsverfahren in breiten Grenzen eingestellt werden. Zum Replizieren der Satellitensignale greift Horiba auf bewährte SDR-Komponenten zurück.

Testfahrzeug mit GPS-Prüfequipment
Bild 2. Testfahrzeug mit GPS-Prüfequipment.
© Horiba Europe

Ein SDR-Sender besteht im Wesentlichen aus einem Universalrechner, dedizierter Hardware zur schnellen Verarbeitung von digitalen Signalen wie Field Programmable Gate Arrays (FPGA) und digitalen Signalprozessoren (DSP), einem Digital-Analog-Umsetzer und einer flexibel gestalteten analogen Hochfrequenzhardware. In der Software werden Trägerfrequenz und Modulationsverfahren gesetzt und die zu sendenden Informationen bereitgestellt. Die Signalsynthese erfolgt dann in digitaler Form mithilfe geeigneter FPGAs und DSPs. Anschließend wird das erzeugte Digitalsignal mit Hilfe eines D/A-Wandlers in ein analoges Signal umgesetzt, je nach Anwendung eventuell gefiltert, verstärkt und über eine geeignete Antenne abgestrahlt. Das bei GNSS angewandte CDMA- (Code Division Multiple Access)-Multiplexing-Verfahren zur synchronen Übertragung verschiedener Nutzdatenströme auf einem gemeinsamen Frequenzbereich lässt sich hier ausnutzen, um die Signale mehrerer Satelliten mit nur einem Sender zu generieren (Bild 2).

Eine Software übernimmt bei SDR die Signalgenerierung und gibt für eine gewünschte Geo-Koordinate und den gewünschten Zeitpunkt das entsprechende GNSS-Signal auf der gewählten Trägerfrequenz (L1 und bzw. oder L5) aus. Diese Daten werden über eine für den Frequenzbereich geeignete Antenne in unmittelbarer Nähe der Fahrzeugantenne ausgesendet. Für aus der Umlaufbahn empfangene GNSS-Signale werden üblicherweise Signalstärken zwischen –130 und –120 dBm für die L1-Trägerfrequenz erwartet.

Je nach Platzierung der Fahrzeugantenne, etwa auf dem Dach, kann eine geeignete Abschirmung verwendet werden, die das Einkoppeln eines Positionssignals ermöglicht. Eine solche Anordnung unterdrückt die Restsignalstärke der realen GNSS-Daten aus der Umlaufbahn und verhindert gleichzeitig das Abstrahlen der künstlich erzeugten Positionsdaten in die Umwelt. So kann die Kompromittierung anderer GPS-basierter Applikationen verhindert werden. Solche Tests können nur unter strengsten Sicherheitsvorkehrungen stattfinden, um das Abstrahlen einer falschen GNSS-Position, auch als GNSS-Spoofing bezeichnet, außerhalb des Gebäudes zu unterbinden.

Ähnlich wie ein Smartphone, das weltweit GNSS-Signale empfangen kann, können auch Fahrzeuge in der Regel die Signale mehrerer Satellitensysteme empfangen, unabhängig davon, ob es sich um das amerikanische GPS-, das russische Glonass- oder das europäische Galileo-System handelt. Ein GNSS-Signal gibt jedoch lediglich Koordinaten vor, die das Fahrzeug ohne korrespondierendes Kartenmaterial nicht nutzen kann. Wie für die eingangs erwähnte satellitengestützte Geschwindigkeitsregelanlage braucht es daher zwingend HD-Karten, um die genaue Position auf der Straße zu bestimmen.
In Situationen, in denen kein stabiler Satellitenempfang gewährleistet ist, etwa in Häuserschluchten oder Tunneln, können zur Interpolation weitere Daten herangezogen werden. Möglich ist eine Fusion des GNSS-Signals mit Daten von Inertialsensoren, die kinematische Parameter wie Lenkwinkel, Beschleunigung oder Radumdrehungen bereitstellen. Durch diese Sensordatenfusion ist die Verlässlichkeit auch dann gewährleistet, wenn das vom Fahrzeug empfangene GNSS-Signal nicht die nötige Genauigkeit aufweist.


  1. Stimulation von GNSS-Empfängern auf dem Rollenprüfstand
  2. Testen in der virtuellen Umgebung

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